Modelación sísmica de edificaciones de entramados livianos de madera

Abstract

RESUMEN: La modelación estructural en madera en el contexto colombiano se ha visto limitada por la falta de softwares y herramientas de modelación que permitan construir de manera apropiada, modelos computacionales que se aproximen satisfactoriamente a los modelos analíticos establecidos en normativas internacionales y realizados por investigadores expertos en el tema. Los entramados livianos son un sistema que presenta ventajas competitivas por su facilidad de construcción y respuesta estructural. Adicionalmente, el sistema brinda la posibilidad de llevar la construcción en madera a una nueva etapa, al poder construir un número considerable de pisos, lo cual ha impuesto en gran reto en este tipo de estructuras. Para realizar los modelos que se trabajan a lo largo de este trabajo de grado, se seleccionó como caso de estudio una estructura de cinco niveles, definida por muros en entramados livianos con diferentes tipologías. Además, se parte de los análisis sísmicos establecidos en la normativa colombiana NSR–10, por los cuales, se construye el espectro de aceleración de diseño y se utiliza el método de la fuerza horizontal, junto a matrices de rigidez, para el cálculo de las fuerzas sísmicas a la que estará sometida la estructura definida en el caso de estudio. De allí, bajo lo expuesto en la “Special Design Provision for Wind and Seismic” (SDPWS, 2021) se inició con la elaboración de modelos analíticos que parten de unos conceptos bases de rigidices axiales y laterales, incluyendo los efectos producidos por flexión, cortante y volcamiento por la deformación de los anclajes hold-down. Debido a la profundización y rigurosidad con la que pueden calcularse las estructuras, se estudian las metodologías propuestas por el Centro UC de Innovación en Madera de Chile, y la definida por Rossi y Piazza. Estos dos últimos adicionan al modelo conceptos claves, al considerar en las deformaciones totales de la estructura, los efectos producidos por los momentos acumulados de las fuerzas sísmicas y las rotaciones verticales que se acumulan a medida que se asciende en cada piso. Debido a las anteriores consideraciones, resultan entonces estructuras más flexibles, que, ante un mismo estímulo de fuerza, resultan en deformaciones mayores. Por último, con el fin de buscar modelaciones computacionales que concuerden con los resultados encontrados por métodos analíticos, se utilizó el Software ETABS y diferentes alternativas de modelación como shell equivalente, shell con resortes, shell con bordes modificados y frame equivalente. En cuanto a los resultados obtenidos, se exponen las deformaciones calculadas por cada uno de los métodos mencionados, y se logra encontrar, de manera satisfactoria, un método de modelación computacional que coincida con los resultados obtenidos por lo especificado en la normativa SDPWS.

ABSTRACT: Structural modeling of wood, in the Colombian context, has been limited by the lack of software and modeling tools that allow the appropriate construction of computational models that adequately approximate the analytical models established in international regulations and carried out by expert researchers in the field. Light frames are a structural system with competitive advantages, due to the ease of construction and structural response. Additionally, the system offers the possibility of taking wood construction to a new stage, by being able to build a considerable number of floors, which has imposed a great challenge on this type of structures. To construct the models that are developed throughout this investigation project, a 5-level structure was selected as a case study, defined by shear walls in light timber frame with different typologies. In addition, it is based on the seismic analyzes established in the Colombian NSR-10 regulations, by which the design acceleration spectrum is built, and the equivalent horizontal force method is used, together with stiffness matrices, for the calculation of the seismic forces to which the structure defined in the case study will be subjected. From there, under the provisions of international regulations such as the SDPWS, the development of analytical models began with basic concepts of axial and lateral stiffness, including the effects produced by bending, shear and overturning due to the deformation of the hold-down anchors. Due to the depth and rigor with which these structures can be calculated, the methodologies proposed by the UC Center for Wood Innovation of Chile, and the one proposed by Rossi and Piazza, are studied. These two procedures previously mentioned, add key concepts to the model, by including to the total deformations of the structure, the effects produced by the accumulated moments of the seismic forces and the independent vertical rotations that accumulate as each floor is ascended. Due to the above considerations, more flexible structures are then generated, which, given the same force stimulus, result in greater deformations. Finally, in order to search for computational models that match with the results found by the analytical methods, ETABS software and different modeling alternatives were used, such as equivalent shell, shell with springs, shell with modified edges and equivalent frame. Regarding the results obtained, the deformations calculated by each of the mentioned methods are exposed, and it is possible to find in a satisfactory way, a computational modeling method that concur with the results obtained by what is specified in the SDPWS regulations.